고유전상수를 갖는 절연물질과 탄소 나노튜브를 이용한 높은 속도의 메모리 개발

 

지난 수년간, 탄소 나노튜브를 이용한 다양한 전기적 구성 요소에 대한 연구가 지속

적으로 이루어져왔다. 탄소 나노튜브를 이용한 응용 소자로는 전자장을 이용한 이미

터(emitter), 스위치, 센서, FET(field effect transistor) 등이 있다. 특히 탄소 나노튜

브를 이용한 FET 소자의 경우 기존의 FET에 비하여 높은 특성 향상이 가능하여 많

은 연구팀의 관심을 많이 받아 왔다. 

 

단일벽 탄소나노튜브(SWCNT, single-walled carbon nanotube)를 이용한 FET 소

자의 경우 매우 빠른 동작이 가능하다고 보고되고 있다. 전송 주파수(transit 

frequency)가 50GHz까지 가능하다고 보고되고 있으며, 차후 이론적인 최대값에 근

접할 수 있을 것으로 보인다. 탄소 나노튜브를 이용한 FET의 높은 민감도(high 

sensitivity) 역시 금 나노입자와 근처의 나노튜브 사이의 단전자 터널링(single-

electron tunneling) 현상을 관찰하여 증명된 바 있다. 

 

전자기계적(electromechanical) 탄소 나노튜브 메모리가 처음 증명된 이후, 탄소나

노튜브-FET에서의 메모리 효과에 대한 연구도 활발히 이루어져 왔다. 이러한 소자

의 이동도(mobility)는 79000cm2/Vs 정도로 매우 빠르며, 전하 저장 안정도도 최대 

14일 정도 되는 것으로 보고되고 있다. 

 

비휘발성 메모리의 특성에 영향을 미치는 또 하나의 중요한 요소는 동작 속도

(speed)이다. 이는 "쓰기(write)" 동작과 "지우기(erase)" 동작이 수행될 때의 속도

를 의미한다. 지금까지, 탄소 나노튜브 FET의 동작주파수는 10ms 정도로 보고되고 

있다. 이는 기존의 실리콘 기반의 메모리 소자의 동작 속도가 100us(microsecond) 

정도인 것에 비하여 매우 느린 것으로 발전의 필요성이 있는 것이었다. 

 

최근 Finland의 연구팀에 의해 이를 획기적으로 향상시킨 연구 결과가 있어 이를 소

개하고자 한다. “High-speed memory from carbon nanotube field-effect 

transistors with high-k gate dielectric”이라는 제목으로 Nano Letters 학술지에 발

표된 이번 연구에서는 100ns으로 동작 속도를 향상시켰다고 보고하고 있다. 이는 기

존의 연구에 비하여 100000배 정도 향상된 값이다. 

 

연구팀은 HfO2 절연체를 게이트 산화막과 보호막(passivation oxide)으로 이용하

여 이러한 좋은 특성을 얻을 수 있었다고 한다. 그림 1에는 연구팀이 제작한 단일벽 

탄소 나노튜브 FET의 단면도와 AFM 사진이 나타나 있다. 실리콘 기판의 자연 산화

막을 위해 HfO2를 ALD를 이용하여 증착하고, 소스-드레인 전극으로는 Pd를 이용했

음을 알 수 있다. 그림 2에는 단일벽 탄소나노튜브를 이용한 FET 소자에서의 히스테

리시스(hysteresis) 특성을 I-V를 이용하여 관찰한 결과가 나타나 있고, 그림 3에는 

쓰기와 지우기 동작에 대한 응답 결과가 제시되어 있다. 그림 4와 그림 5에서는 메모

리 동작의 지속성(endurance)과 정보 저장 시간(retention time)에 대한 그래프를 

각각 보여주고 있다. 

 

연구팀은 이렇게 향상된 메모리 특성들에 대하여 "전하 저장 모델(charge trapping 

model)"을 이용하여 설명하고 있다. 그림 6에 표현한 것과 같이 절연체 내의 고정된 

전하 트랩(trap)에 의해 메모리 현상이 일어난다고 설명하는 것이다. 연구팀은 매우 

얇고, 결함이 없는(defect-free) 터널링 산화막을 추가하면 메모리 특성이 더 향상

될 것으로 예측한다고 발표하고 있다. 또한 메모리 특성 조절을 위해서는 탄소 나노

튜브 밴드갭 사이에서 트랩의 위치와 농도를 적절히 조절하는 일이 필요할 것이라

고 분석하고 있다.

 

 

Nano Letters

출처 : KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』 2009-01-21